Розрахунок болтового з'єднання на розрив. Механічні характеристики гвинтів

Розрахунок болтового з'єднання на розрив. Механічні характеристики гвинтів

Межа міцності при розтягуванні вказує на значення напруги, при якому гвинт може зруйнуватися. Руйнування може статися у стрижні або різьбленні гвинта, але не під головкою. Для визначення межі міцності при руйнуванні виконується випробування на розтягування всього гвинта або обробленого на верстаті стрижня. Значення межі міцності при розтягуванні нержавіючих гвинтів A1-A5 завжди тестуються по всьому гвинту (DIN ISO 3506). Значення межі міцності при розтягуванні можна точно визначити тільки шляхом випробування стрижня гвинта, тестування по всьому гвинту дає приблизне значення, виняток становлять нержавіючі гвинти. Однак з практичних міркувань тестування найчастіше виконується для гвинта.

Умовна межа плинності при розтягуванні R e (Н/мм 2)

Умовна межа плинності при розтягуванні вказує на те, при якому значенні напруги межа міцності при розтягуванні залишається постійною або зменшується, незважаючи на зростання подовження. Іншими словами, межа плинності настає тоді, коли відбувається перехід між областю пружної та пластичної деформації металу. Умовну межу плинності також можна точно визначити лише під час тестування стрижня гвинта.

Раніше межа міцності при розтягуванні була практично єдиною підставою для класифікації сталі за міцністю. Умовна межа плинності при розтягуванні починає все більше витісняти межу міцності при розтягуванні, оскільки більшість інших критеріїв міцності стали (межа повзучості, втомна міцність, ударна в'язкість, твердість і т.п.) краще корелюють з умовною межею плинності при розтягуванні, ніж з тяжкістю. при розтягуванні.

Графік залежності між напругою та подовженням для гвинтів класу міцності 4.6.


0,2%-кордон подовження R p0,2 (Н/мм 2)

Це значення використовується для міцних гвинтів, наприклад, класу міцності 10.9, які при навантаженні демонструють безперервний зсув між пружною та пластичною деформацією. Межу міцності при розтягуванні буває важко визначити, оскільки немає чіткої межі пластичності. У цьому випадку використовують так зване 0,2%-кордон, коли постійне подовження становить 0,25.

Графік незалежності між напругою і подовженням для гвинтів класу міцності 10.9.


Подовження при руйнуванні A 5 (%)

Подовження при руйнуванні є важливою характеристикоюдеформації матеріалу при розтягуванні та в'язкості матеріалу. Подовження при руйнуванні показує подовження стрижня, що випробовується, у відсотках:
A 5 =(L U -L O)/L O ×100%, де
L O - задана розрахункова довжина LO=5×d 0
L U - розрахункова довжина після розтягування
d 0 - діаметр стрижня заготовки, що випробовується (гвинта перед випробуванням на розтягування)

Твердість та її тестування

Твердість зазвичай визначається як здатність матеріалу чинити опір проникненню тестуючого предмета при певному навантаженні. Для вимірювання твердості застосовуються такі три способи:

Брінель HB ( ISO 6506) як тестуючий предмет використовується сталеве ядро, вимірюється діаметр відбитка. Вікерс HV ( ISO 6507) як тестуючий предмет використовується тупий кінець піраміди, вимірюється діагональ відбитка. Роквел ( ISO 6508) HRB-твердість для м'яких матеріаліввимірюється за глибиною відбитка ядра, HRC-твердість для твердих матеріалів вимірюється за глибиною відбитка пірамідального наконечника.

Механічні характеристикигвинтів та болтів з вуглецевої сталі при температурі +20°C (якщо не вказано інше)
Характеристика Клас міцності
5.6 8.8 10.9
≤M16>M16
Межа міцності при розтягуванні Rm (Н/мм 2) номінальне значення 500 800 800 1000
мінімум 500 800 830 1040
Умовна межа плинності при розтягуванні Re (Н/мм 2) номінальне начення 300 -- -- --
мінімум 300 -- -- --
0,2%-кордон подовження Rp0.2 (Н/мм 2) номінальне значення -- 640 640 900
мінімум -- 640 660 940
Умовна межа плинності Re або 0,2%-кордон подовження Rp0.2 за високої температури +100°C 270 590 590 875
+200°C 230 540 540 790
+250°C 215 510 510 745
+300°C 195 480 480 705
Подовження при розриві A5 (%) мінімум 20 12 12 9
Твердість за Вікерсом F≤98N (HV) хв ... макс 155…200 250…320 255…335 320…380
макс. значення у голівки 250 -- -- --
Твердість за Брінелем F=30D 2 (HB) хв ... макс 147…209 238…304 242…318 304…301
макс. значення у голівки 238 -- -- --
Твердість за Роквелом HR HRB хв ... макс 79…95 -- -- --
макс. значення у голівки 99,5 -- -- --
HRC хв ... макс -- 22…32 23…34 32…39
Ударна в'язкість KV (J) мінімум 25 30 30 20

Класифікація сировинних матеріалів, що використовуються під час виготовлення кріплень.

Вуглецева сировина, що часто використовується, експлуатаційні характеристикиякого у гвинтових виробах значно друг від іншого відрізняються. Винятком є ​​стійкість до дії низьких температур, приблизно нижче -50°C, та стійкість до дії високої температуриприблизно вище +300°C. Механічні характеристики ISO 898. Нержавіюча сталь Часто використовуваний сировинний матеріал, експлуатаційні характеристики якого в готових гвинтових виробах відрізняються значно, наприклад, стійкістю до корозії, температурною стійкістю, зварюваністю, намагнічуваністю, гартуванням. Механічні характеристики ISO 3506. Не чорні метали, алюміній, мідь Коди сировинних матеріалів, характеристики міцності, методи і результати тестування, а також характеристики переведені в стандарті ISO 8839 / EN 28 839. Інші матеріали, наприклад, латунь та титан Стандартів немає. У деяких випадках можна рекомендувати використовувати механічні характеристики відповідно до стандартів на сталеві гвинти. Пластмаси стандартів немає.

Вуглецева сталь (ISO 898)

Стандарт ISO 898являє собою семичастинний стандарт, в якому розглядаються метричні болти, гвинти, настановні штифти і гайки з великим і дрібним різьбленням до M39.

Гвинти

Формат позначення класу міцності має вигляд A.B, де:
A - сота частина межі міцності розтягування (R m =100×A);
B - відношення умовної межі плинності та межі міцності на розтяг, помножене на десять (R e =10×A×B).

Наприклад, для болтів класу міцності 8.8: R m =800 МПа, R e =640 МПа.

Гайки

У стандарті SFS-EN 20 298-2визначаються гайки зі стандартним різьбленням.

У стандарті SFS-EN 298-6визначаються гайки з частим різьбленням.

Код класу міцності є цілим числом, яке вказує клас міцності болта, на який можна накрутити гайку (перший номер класу міцності болта). Для низьких гайок використовуються класи міцності 04 та 05.

Шайби

На відміну від болтів, гвинтів та гайок поняття класасу міцності для шайб не застосовується. Основною характеристикою міцності шайб є їх твердість, що вимірюється за методом Вікерса (для плоских шайб), Роквелла (пружинні шайби, шайби-гровер, шайби для високоміцних болтових з'єднань), Брінелля (бронзові шайби). Конкретні значення твердості регулюються ДСТУ на відповідні шайби.

Властивості нержавіючих сталей описані в

Надійність конструкції в основному залежить від якості кріпильних елементів. Після виготовлення болти проходять деякі випробування, які дозволяють визначити якість та можливо допустимі навантаженняна кріплення.

Випробування розриву проводиться на розривних машинах. Випробуваний зразок затискається з двох сторін роз'ємними вкладишами, і поступово розтягуються з зусиллям, що постійно зростає. Досягши певної сили натягу відбувається розрив зразка. Сила, потрібна для розриву болта, називається розривним вантажем. Після випробування на розрив зразок досліджується подовження, яке визначає рівень пластичності металу.

Випробування на зріз проводить шляхом приміщення болта в спеціальний пристрій, що складається з вилки та диска (вставляється у вилку). Після цього диск виймають, виробляють зрізне зусилля на болт. Площа зрізу вдвічі більша за площу перерізу, оскільки зріз відбувається одночасно у двох площинах. Таке випробування називають двоосьовим. Є також випробування на одну вісь: болт поміщається у дві плашки, проходячи крізь них, які рухаються у різні боки. У цьому випадку площина зрізу дорівнюватиме площині перерізу.

Діаметр болта

Крок різьби

Руйнівне зусилля на зріз по одній площині (кГ)

Руйнівне зусилля на розтягування (кГ)

Сталь 30ХДСА

Сталь 30ХДСА

01.08.13

Стали і міцність кріплення

Машинобудівний кріплення може мати різне призначення і виконувати різні завдання - від простого формування цілісності конструкції до сприйняття основного несучого силового навантаження на конструкцію. Чим більше навантаження на кріплення, тим більш високою міцністю він повинен мати.

Залежно від призначення та сфери застосування кріплення виготовляють різних класів міцності, відповідно різних мароксталей. Немає жодної потреби використовувати високоміцні болти для кріплення, скажімо, козирка на кіоску, і навпаки - зовсім неприпустимо використовувати болти звичайного, низького, класу міцності у відповідальних конструкціях баштових або козлових кранів - тут застосовуються виключно високоміцні - звідси й народна назва таких болтів. Бажання заощадити та використовувати звичайні болти - дешевше, або "кранові болти", але виготовлені з низькоміцних сталей, призводить до видовищних новин по телевізору з краном, що падає, в центрі уваги.

Для різних видівкріплення (болти, гвинти, гайки, шпильки) використовуються різні сталі, різні класи міцності та різне їх маркування.

Розглянемо по порядку.

Болти, гвинти та шпильки

Болти, гвинти та шпильки виготовляються з різних вуглецевих сталей - різним сталям відповідають різні класи міцності. різні способиобробки заготівлі або додаткову термічну обробку - загартування.

Наприклад, зі Сталі 35 можна виготовити болти кількох класів міцності: класу міцності 5.6 - якщо виготовити болти методом точення на токарному та фрезерному верстаті: класів 6.6 та 6.8 - вийдуть при виготовленні болтів методом об'ємного штампування на пресі; і класу 8.8 - якщо отримані перерахованими способами болти піддати термічній обробці - загартування.

Клас міцності для болтів, гвинтів та шпильок із вуглецевих сталей позначають двома цифрами через точку. Затверджений ряд міцності для болтів, гвинтів і шпильок з вуглецевих сталей містить 11 класів міцності:

3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9

Перша цифра маркування класу міцності болта означає 0,01 частина номінального тимчасового опору - це межа міцності на розтяг - вимірюється в МПа (мегапаскалях) або Н/мм² (ньютонах на квадратний міліметр). Також перша цифра маркування класу міцності позначає ≈0,1 частина номінального тимчасового опору, якщо Ви вимірюєте межу міцності на розтяг у кгс/мм² (кілограмах-силах на квадратний міліметр).

Приклад: Шпилька класу міцності 5.8: Визначаємо межу міцності на розтягування

5/0,01=500 МПа (або 500 Н/мм²; або ≈50 кгс/мм²)

Друга цифра позначає 0,1 частина відношення межі плинності (напруги, при якому вже починається пластична деформація) до номінального тимчасового опору (межі міцності на розтяг) - таким чином для шпильки класу міцності 10.9 друге число означає, що у шпильки, що відноситься до цього , мінімальна межа плинності дорівнюватиме 90% від значення межі міцності на розтягування, тобто дорівнює: (10/0,01)×(9×0,1)=1000×0,9=900 МПа (або Н/мм²; або ≈90 кгс/мм²)

Приклад: Шпилька класу міцності 5.8: Визначаємо межу плинності

500х0,8=400 МПа (або 400 Н/мм²; або ≈40 кгс/мм²)

Значення межі плинності - це максимально допустиме робоче навантаження болта, гвинта або шпильки, при перевищенні якої відбувається деформація, що не відновлюється. При розрахунках навантаження на болти, гвинти чи шпильки використовують 1/2 чи 1/3 межі плинності, тобто, з двократним чи триразовим запасом міцності відповідно.

Класи міцності та марки сталей для болтів, гвинтів та шпильок

Клас міцності Марка сталі Кордон міцності, МПа Кордон плинності, МПа Твердість по Брінеллю, HB
3.6 Ст3кп, Ст3сп, Ст5кп, Ст5сп 300…330 180…190 90…238
4.6 Ст5кп, Ст.10 400 240 114…238
4.8 Ст.10, Ст.10кп 400…420 320…340 124…238
5.6 Ст.35 500 300 147…238
5.8 500…520 400…420 152…238
6.6 Ст.35, Ст.45 600 360 181…238
6.8 Ст.20, Ст.20кп, Ст.35 600 480 181…238
8.8 Ст.35, Ст.45, Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.20Г2Р 800* 640* 238…304*
8.8 Ст.35, Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.40Х, Ст.20Г2Р 800…830** 640…660** 242…318**
9.8* Ст.35, Ст.35Х, Ст.45, Ст.38ХА, Ст.40Х, Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, Ст.20Г2Р 900 720 276…342
10.9 Ст.35Х, Ст.38ХА, С.45, Ст.45Г, Ст.40Г2, Ст.40Х, Ст.40Х Селект, Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, 1000…1040 900…940 304…361
12.9 Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, Ст.40ХНМА 1200…1220 1080…110 366…414

У таблиці наведені найпоширеніші у виробництві метизу і рекомендовані марки сталей, але в різних особливих випадках також застосовуються й інші сталі, коли їх застосування продиктовано додатковими вимогами до кріплення.

Значки позначені в таблиці:

* стосовно номінальних діаметрів до 16 мм.

** стосовно номінальних діаметрів більше, ніж 16 мм.

Існують спеціальні стандарти на міцні болти вузькогалузевого застосування, що мають свою градацію міцності. Наприклад, стандарти на високоміцні болти зі збільшеним розміром "під ключ", що застосовуються в мостобудуванні - так звані "": і російський стандарт.

Міцність болтів відповідно до цих стандартів позначається значенням тимчасового опору на розрив (межі міцності) кгс/см²: тобто, 110, 95, 75 і т.д.

Такі болти можуть виконуватися у двох виконаннях:

Різьблення болтів Клас міцностіболтів Марка сталі Кордон міцності, МПа(кгс/см²) Відносить. подовження, % Ударна в'язкість болтів виконання ХЛ, МДж/м² (кгс· м/см²) Макс. твердість по Брінеллю, HB
М16...М27 110 40Х Селект 1100 (110)…1350 (135) мінімум 8 мінімум 0,5 (5)
М30 95 950 (95)...1150 (115) 363
М36 75 750 (75)...950 (95)
М42 65 650 (65)...850 (85)
М48 60 600 (60)...800 (80)

У виробництві високоміцних болтів за даними стандартами використовуються також сталі 30Х3МФ, 30Х2АФ та 30Х2НМФА. Застосування таких сталей дозволяє досягти ще вищої міцності.

Маркування міцності болтів, гвинтів, шпильок

Система маркування метричного кріплення розроблена інженерами ISO(International Standard Organization - Міжнародна Організація Стандартів). Радянські, російські та українські стандарти спираються саме на цю систему.

Маркуванню підлягають болти та гвинти з діаметром різьблення понад 6 мм. Болти та гвинти діаметром менше 6 мм маркувати необов'язково - виробник може наносити маркування за власною ініціативою.

Необхідно відзначити, що серед гвинтів маркуються тільки гвинти, що мають шліц під шестигранний ключ різною формоюголовки: , і . Гвинти з усіма типами головки, що мають хрестовий або прямий шліц, не маркуються позначенням класу міцності.

Необхідно також відзначити, що не маркуються болти і гвинти виготовлені методом різання, точення (тобто не штампуванням) - в цьому випадку маркування класу міцності можливе додаткової вимогиЗамовника.

Знаки маркування наносять на торцевій або бічній поверхні головки болта або гвинта. Якщо знаки наносяться на бічну поверхнюголовки, то вони мають бути поглибленими. Дозволяється маркування опуклими знаками, при цьому збільшення висоти головки болта або гвинта не повинно перевищувати:

  • 0,1 мм – для виробів з діаметром різьблення до 8 мм;
  • 0,2 мм – для виробів з діаметром різьблення від 8 мм до 12 мм;
  • 0,3 мм - для виробів з діаметром різьблення понад 12 мм


Болти та гвинти з шестигранною та зіркоподібною головкою (у тому числі вироби з фланцем) маркують товарним знаком виробника та позначенням класу міцності. Це маркування наноситься на верхній частині голівки опуклими або поглибленими знаками; може також наноситися на бічній частині головки заглибленими знаками. Для , якщо в процесі виробництва неможливо нанести маркування на верхній частині головки, маркування наносять на фланці.

Маркування шпильок

Шпильки маркують цифрами класу міцності лише з діаметром різьблення понад 12 мм. Так як маленькі діаметри шпильок важко маркувати за допомогою цифрових клейм, допускається маркувати такі шпильки, з діаметрами різьби М8, М9, М10, М11, використовуючи альтернативні знаки, наведені на малюнку. Знаки наносять на торці гайкового кінця шпильки.


Шпильки маркують тавруванням з поглибленими знаками та нанесенням позначення класу міцності з товарним знаком виробника на безрізьбовій ділянці шпильки. Маркуванню підлягають шпильки класів міцності 5.6, 8.8 та вище.

Гайки

Клас міцності для гайок з вуглецевих сталей і позначається одним числом. Затверджений ряд міцності містить сім класів міцності:

4; 5; 6; 8; 9; 10; 12

Це число позначає 1/100 частина межі міцності болта з яким у парі має компонуватися гайка в різьбовому з'єднанні. Таке поєднання болта та гайки називається рекомендованим і дозволяє рівномірно розподілити навантаження у різьбовому з'єднанні.


Наприклад, гайка класу міцності 8 повинна компонуватися з болтом, який має межу міцності не менше, ніж:

8 х 100 = 800 МПа (або 800 Н/мм²; або ≈80 кгс/мм²)

Отже, можна використовувати болти класів міцності 8.8; 9.8; 10.9; 12.9 – оптимальною буде пара з болтом класу міцності 8.8.

Класи міцності та марки сталей для ,

Клас міцності Марка сталі Кордон міцності, МПа Твердість по Брінеллю, HB
4 Ст3кп, Ст3сп, Ст.5, Ст.5кп, Ст.20 510 112…288
5 Ст.10, Ст.10кп, Ст.20, Ст.20кп 520…630 124…288
6 Ст.10, Ст.10кп, Ст.20, Ст.20кп, Ст.35, ст.45, ст.40Х 600…720 138…288
8 Ст.35, Ст.45, Ст.20Г2Р, Ст.40Х 800…920 162…288
9 Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.45, Ст.40Х 1040…1060 180…288
10 Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.45, Ст.40Х, Ст.30ХГСА, Ст.40ХНМА 900…920 260…335
12 Ст.30ХДСА, Ст.40ХНМА 1150…1200 280…335

Правило підбору гайок до болтів полягає у збереженні цілісності різьблення гайки, нагвинченої на болт, при додатку пробного випробувального навантаження - попросту кажучи, при випробуваннях гайку не повинно "зірвати" від випробувального навантаження для вибраного болта.

При підборі класів міцності болтів і гайок, що сполучаються в різьбовому з'єднанні, можна користуватися наступною таблицею згідно ГОСТ 1759.4-87:

Клас міцності гайки

Сполучні болти

Клас міцності

Діаметр різьблення

4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8

від М16 до М48

Як правило, гайки найвищих класів міцності можуть замінити гайки нижчих класів міцності. Така заміна рекомендується для з'єднань "болт + гайка", напруга в яких буде вищою за межу плинності, або напруги від пробного навантаження болта.

Класи міцності та марки сталей для

Значки позначені в таблиці:

* для номінальних діаметрів до 16 мм.
** для номінальних діаметрів понад 16 мм.

Спільно з міцними болтами вузькогалузевого застосування, що мають свою градацію міцності, застосовуються відповідні високоміцні гайки. Наприклад, із вже згаданими " " по і застосовуються гайки зі збільшеним розміром " під ключ " за стандартами і .

Міцність гайок відповідно до цих стандартів позначається таким же значенням, як у болта, що сполучається - значенням тимчасового опору на розрив (кордони міцності) в кгс/см²: 110, 95, 75 і т.д. Такі гайки, як і болти можуть виконуватися у двох виконаннях:

  • Виконання У – для кліматичних областей з максимально низькою температурою до -40 0 С – літера У не позначається у маркуванні
  • Виконання ХЛ - для кліматичних областей з максимально низькою температурою від -40 0 С до -65 0 С - позначається у маркуванні на головці болта після класу міцності
Різьблення сполучних болтів Марка стали болта Клас міцності гайки Кордон міцності, МПа(кгс/см²) Марка стали гайками Твердість по Брінеллю, HB
М16...М27 Ст. 40Х Селект 110 1100 (110) Ст. 35, ст.40, ст.45, ст. 35Х, Ст.40Х
М30 95 950 (95) 229...341
М36 75 750 (75)
М42 65 650 (65)
М48 60 600 (60)

У виробництві високоміцних гайок за даними стандартами використовуються також сталі 30Х3МФ, 30Х2АФ та 30Х2НМФА разом із болтами з відповідних сталей. Застосування таких сталей дозволяє досягти ще більш високої міцності гайок.

Маркування шестигранних гайок

Маркують гайки з діаметром різьблення понад 6 мм. Знаки маркування наносять одну з торцевих поверхонь. Гайки меншого класу міцності 4 не маркують.

У деяких технічно обґрунтованих випадках допускається маркування на бічних поверхнях (гранях) гайки.


Знаки мають бути поглибленими.



Дозволяється маркування гайок за системою циферблату. Така система використовується переважно на гайках малих розмірів, коли для цифрових знаків просто немає місця. При цьому способі маркування наноситься:

  • поглибленими знаками на торцевій поверхні - точка на 12 годин та ризики по колу бічної поверхні
  • опуклими або поглибленими знаками на фасках - точка на 12 годин та ризики по колу похилої поверхні фасок

Відповідність маркування із класом міцності гайки наведено на схемі:


Крапка на 12 годин може бути замінена товарним знаком виробника. У гайках класу міцності 12 точка обов'язково має бути замінена на товарний знаквиробника, щоб уникнути візуального злиття з ризиком на 12:00.

Міцність шайб

На відміну від болтів і гайок, які мають класи міцності, що позначаються кількісно цифрами, виходячи з показників міцності на розрив і пластичності, шайби несуть навантаження на стиск, кручення, зріз і, в основному, покликані розподілити навантаження в болтовому з'єднанні на велику площу. У такому випадку для шайб визначальним параметром є поверхнева твердість і до всіх видів шайб пред'являються вимоги щодо твердості. Якщо йдеться про клас міцності шайб, то мається на увазі саме твердість шайб.

За аналогією з болтами, гвинтами і гайками багато хто називає твердість у шайб їх класом міцності.
Клас міцності (твердість) шайб може вимірюватися і позначатися в різних одиницях - залежно від методу вимірювання твердості: методи вимірювання бувають за Віккерсом, Роквеллом і Брінеллем. Розміри, наявність захисного покриттяі в обов'язковому порядкутвердість визначають сферу застосування шайб у різних умовахроботи.
Найбільш поширений метод Віккерса - шайби можуть мати твердість за Віккерсом від 100 одиниць до 400, і позначаються HV100, HV200, HV300і т.д. За Роквеллом твердість позначається HRCпо Брінеллю НВ.

© 2023 globusks.ru - Ремонт та обслуговування автомобілів для новачків